Influence of freezing and thawing process on cryopreserved cells nuclei and surfaces. Functions and physico-chemical properties of cryoprotectants.

Abstract

1 Abstrakt: Kryoprezervace buněk je komplexní proces nalézající uplatnění v základním biologickém výzkumu, lékařství i zemědělství. Tato práce prohlubuje současné chápání kryoprezervace buněk a jejích důsledků, a to na biologické i fyzikální úrovni. Výsledky obsahují charakteristiku chování vybraných kryoprotektantů (především DMSO, trehalóza, antifreeze protein ApAFP752) v kapalné fázi, v pevné fázi i během tuhnutí. Pozornost je rovněž věnována charakteru a míře poškození rozmrazených buněk, u nichž byla sledována jejich viabilita a vývoj stavu jejich povrchu a jádra (integrita jaderné membrány, úroveň kondenzace chromatinu, přitomnost dvojných zlomů DNA). Důležitým výsledkem je, že S-fázní buňky (NHDF a MCF7 linie) během kryoprezervace utrpí rozsáhlý kolaps replikačních vidliček, což představuje závažné poškození. Je tedy vhodnější mrazit buňky v jiných fázích buněčného cyklu. Ke sledování stavu rozmrazených buněk byla použita především mikroskopie atomárních sil (AFM), konfokální fluorescenční mikroskopie a průtoková cytometrie. Získané poznatky mohou být použity k optimalizaci používaných kryoprezervačních protokolů a k lepšímu hodnocení účinnosti a šetrnosti nově vyvinutých kryoprotektantů.

1 Abstract: Cryopreservation of cells is a complex process with many useful applications in basic biological research, medicine and agriculture. In this work we deepened the current understanding of the cryopreservation process both at physical and biological level. Results include characteristics of selected cryoprotectants (primarily DMSO, trehalose, antifreeze protein ApAFP752) in liquid phase, during phase transition and in solid phase, as well as their impact on cryopreserved cells states. Specifically, the level of cell viability, state of cell membrane and condition of cell nucleus (nuclear membrane, chromatin condensation, DNA strand breaks) are monitored over several time points after thawing. It is shown that S-phase cells (NHDF and MCF7 lines) suffer massive collapse of replication forks during cryopreservation which makes them much less suitable for cryopreservation than cells in other phases of the cell cycle. Several methods (most importantly Atomic Force Microscopy, Confocal Fluorescence Microscopy and Flow Cytometry) were used to examine the post-thaw state of cryopreserved cells. The acquired insights into cryodamage of cells can lead to optimization of current cryopreservation protocols and to more thorough evaluation of efficacy of future novel cryoprotectants.